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  • 基于Workbench的硬密封球阀球体与阀杆接触部位优化设计
    发布日期:2016-3-1


    摘 要:采用理论计算与ANSYSWorkbench软件分析结合的方式,提出一种新的球体与阀杆接触的设计方案,并对其进行静力学分析与结构优化设计,确定主要尺寸对接触部位应力的影响。分析结果表明,在总体结构基本不变的情况下,采用新的设计方案可增加26%的球体与阀杆有效接触面积,最大可减少65%的最大挤压应力,优化效果明显。

    本页关键词:口球阀-进口电动球阀-进口气动球阀

    0 引言

    金属密封球阀的阀杆与球体接触部位应力过大时常引起硬化层剥落,当硬化层局部剥落扩展至整个球面时,轻则导致阀门无法密封,重则使得球体卡塞,无法正常启闭,致使整个系统失效。针对这种情况,提出一种新的球体与阀杆接触的设计方案,采用理论计算与ANSYSWorkbench软件优化对球体与阀杆接触部位进行结构优化设计,并确定主要尺寸对接触部位应力的影响。

    常规球体与阀杆接触部位截面为方形或矩形,由于阀杆与球体的链接部分是间隙配合,因此,在接触面上的比压分布是不均匀的,近似计算时其受压情况如图1所示。

    图1 扁方形阀杆与球体的链接部分的应力分布

    按等强度条件计算时,阀杆伸入球体槽的深度h应满足h=1.8a,但由球体尺寸的限制,一般只能加大阀杆与球体接触部位的尺寸,这样就会减弱球体的强度,并使阀门的结构加大。实际生产中,一般阀杆与球体并非配磨件,间隙配合的阀杆头部往往会在扭转时与球体接触面产生较大的应力集中,由此产生的失效在实验和检验阶段较难检测,但是会对阀门使用寿命有影响。

    1 设计计算

    以NPS12、CLASS150硬密封固定球阀为研究对象,其球体材料为ASTMA182F316,抗拉强度515MPa,热处理类型为固溶处理加淬火,许用挤压应力按[σzy]=σb/n,n=2.5,[σzy]=206MPa,阀座密封圈与球体间的摩擦转矩Mm=2139863N·mm。

    在阀门整体结构尺寸不变的情况下,拟采用六角形截面以降低阀杆与球体接触处的挤压应力,受力分析如图2所示。

    图2 六角形阀杆与球体的链接部分的应力分布

    在计算时扁方阀杆头部一般先取a值,阀杆头部为铣削加工,宽度d值容易确定,故阀杆直径取d=50mm,按球体尺寸取h=28mm,则62.5mm,而在同结构尺寸下取六角形截面,宽度d=50mm,则,从理论计算上来讲最大应力优化了60%。

    2 有限元分析

    (1)建模与网格划分

    如图3所示,球体与阀杆接触部宽为50mm,深为28mm,每边倒R5的圆角,槽口边缘倒圆角,初始参数设置球体与阀杆接触部位间隙为0,约束条件设置为间隙配合。使用Pro/E软件进行三维建模,并将模型导入AW的静力学分析模块,添加对应材料特性,选择相应材料,球体与阀座自动扫略生成网格,球体与阀杆接触部位的网格细化。

    图3 阀杆头部尺寸图

    (2)边界条件及静态分析

    硬密封固定球阀关闭状态下受流体介质压力与弹簧预紧力以保持密封状态,有限元分析过程中边界条件设定如图4所示,工作介质压力4~6MPa,适用温度为-29~400℃,阀后弹簧预紧力设计为5400N。球体由下支撑轴、上盖与轴承等固定支撑,进行有限元分析时将其等效为球体上圆柱支撑与瞬间固定支撑。球体与阀杆接触部位受力最大时为球体即将开启的瞬间,设定转矩略大于计算转矩取为2200Nm。

    图4 边界条件

    当球体与阀杆接触部位为扁方形时其静力学分析结果如图5所示,等效应力最大部位集中在球体与阀杆接触面上,接触应力为挤压应力,节点应力值最大约为173MPa,与理论计算结果接近。

    图5 球体与阀杆接触部为扁方形的静力学分析

    最大应力发生在球体与阀杆接触内壁上,这是由于当阀杆处于转动瞬间时由于间隙的存在使得阀杆头部的边会挤压球体内壁,造成局部应力加大。最大变形也发生在接触面上,但最大只有0.002mm的变形量,远小于许用值,说明该部位的失效并非由于力矩过大使得刚度不足而导致的。

    表1 球阀开启瞬间极限载荷值

    当球体与阀杆接触部位为六角形时如图6所示,变形情况基本不变,主要集中在阀杆与球体接触部,最大变形量为0.002mm,远小于许用变形量;而节点应力值最大约为59MPa,应力相对减少了近65%,增加了使用安全性。

    图6 球体与阀杆接触部为六边形的静力学分析

    (3)尺寸影响分析

    六角形截面的阀杆由于承力边增加使单边挤压应力相对减少,使力矩传导更加稳定,降低球体与阀杆的接触面失效的风险。采用AW自带的DirectOptimization模块对相关尺寸带与应力的影响进行分析,遴选方式选用MOGA,以球体与阀杆接触面的宽度DS_QIUKUAN、深度DS_QIUSHEN及阀杆头部的插入深度DS_GANTOUSHEN与宽度DS_GANTOUKUAN为输入参数,以最大节点应力和最大总体变形量为输出参数,约束条件设定求最小应力值与变形量,迭代步数为1000步,其灵敏度关系如图7所示。

    图7 尺寸的敏感度分析

    由图7所示的关键尺寸灵敏度分析可看出阀杆头部宽度与深度对应力影响相对较大,对这2个尺寸与应力影响关系各取100步分析:

    由图8可知接触面深度随应力值变化明显,但变化范围总体较小,合适的取值范围在27.9~28.1mm。而由图9可知,阀杆头部接触面宽度对最大挤压应力值的影响较为剧烈,为方便装配尺寸选取尺寸为49.6~50mm。

    图8 阀杆头部插入深度与应力值关系

    图9 阀杆头部宽度与应力值关系

    3 结语

    (1)通过理论与有限元分析结果表明,硬密封球阀球体与阀杆接触部位为六角形时相对扁方形截面可增加26%的球体与阀杆有效接触面积,最大可减少65%的挤压应力,优化效果明显;

    (2)采用新的设计方案在满足应力优化的同时,一定程度上减少加工难度,加快装配速度,优化经济效益;同时采用AW优化方式为工作人员在阀门设计过程中遇到难以解决的问题提供较为直观的分析,从而对最终产品设计有借鉴作用。

    文章链接:http://www.dghwvalve.com/

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